第五部分计算机数控装置原理

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1、第五章 计算机数控装置原理 第一节 计算机数控装置系统概述 一 CNC装置的功能和特点 计算机数控装置是数控机床的核心 它是借助于微机结合必要的硬件构成的装置 这种 数控装置替代了早期的纯硬件式数控装置 以前 我们称数控装置为MNC 现在我们统 称为CNC 即Computer Numerically Controlled system 计算机数控装置即是由电子计算机来承担用户程序的输入 预处理 插补运算及输出 控制 反馈控制 参数显示等任务的数控装置 CNC区别于早期的NC 无论在控制性能上还是编辑操作方面 其功能都远远多于早期的 NC CNC的主要功能 1 承担加工程序的输入及编辑 2 能识

2、别和运行多种国际上标准化的指令代码C随着CNC的发展 这些加工指令代码越来 越多 3 能提供高性能的进给控制功能 4 人机对话相当方便 5 能进行多机通讯及DNC的加工 6 具备一定的故障诊断 反馈控制功能 以上这些功能仅仅是CNC功能的主要部分 随着现代数控的发展 很多新的功能将不断 增加及完善 CNC装置的特点即主要由计算机来承担数控机床的控制部分 二 CNC数控系统基本工作过程 自从20世纪70年代开始 随着计算机技术不断发展 计算机数控装置从硬件结构上发生 了一系列的变化 但它的组成原理基本相似 如图5 1 下面将各部分的作用简介如下 1 显示器是在数控装置运行时用来显示坐标值参数及指

3、令代码 功能码等 在一些高中 档数控装置上可以作加工零件的图形显示等 2 计算机板是数控装置的核心 通常是由高速CPU组成的计算机系统或由多CPU构成的分 布式系统 主要承担数控装置的基本控制及用户程序的译码 插补 反馈控制 输出控制 等任务 3 键盘 开关 键盘通常用来编程及操作 开关为功能开关 用于转换数控装置的工作状态 4 I O接口主要作为数控装置的基本输入输出接口 用于进给轴伺服控制的输出 机 械手的控制信号输出 主轴变速的控制信号的输出 刀架控制信号的输出及进给反馈 信号的输入及刀架机械手到位信号的输入等 5 机内PLC为机内的可编程控制器 它通过数控装置的键盘进行编程 主要用来对

4、 复杂的数控机床的开关量深入输出进行控制 6 通讯口为数控装置联系及传送加工程序 同时也满足DNC和FMS的要求 它一 般以串行方式进行通讯 7 位控驱动器通常不属于数控装置本身 但随着高可靠性数控装置的不断发展 制造商 为了提高整体的可靠性 向免维修方向发展 也把位控驱动器功放部分包括在数控装置的 范围内 8 反馈传感器ID 执行电机 反馈链 刀架机械手 主轴均不属数控装置的范围 但 它们与数控装置一起构成数控系统 第二节 CNC数控装置的一般结构 CNC的硬件结构一般分为两类 一类是单CPU结构 另一类为多CPU结构 CNC的软件结构一般也分为两大类 一类是前后台型 另一类为中断型 硬件和

5、软件的结合才能真正构成CNC装置 才能发展CNC的各项功能 有人把硬件 比作躯体 把软件比作灵魂 下面从硬件和软件两个方面来介绍CNC的基本结构 一 硬件结构 我们先从原理上来说明 对于一些比较特殊的结构 如机内PLC装置及外存储器等可以 专门叙述 1 单CPU形式 如图5 2所示 各部分作用如下 1 CPU组件是整个数控装置的核心 包括CPU 时钟 总线驱动及地址译码 它是一 个最基本的单元 图5 2 单微处理器结构CNC框图 2 显示 键盘是CNC人机对话的基本部件 它的特点是显示器与键盘往往做在一个面 板上 并且键盘较标准键盘少 只用一些数控语言所用的键 对于现代化CNC 一些产品 的键

6、盘采用了触摸屏键 提高了可靠性 3 控制器接口 实际上是对CNC的控制 检测对象专门设置的接口 4 RAM ROM为CNC的系统组件 RAM存放各种数据及用户软件 加工程序等 5 开关量 数据量输入是一个开关量及数字量输入的匹配器 它把机床的各种开关量 信号 如刀架回答信号 及各种数字信号 如装置反馈信号 转换成符合控制器接口的输 入电压的工作范围 6 开关量输出是把控制器接口信号转换成机床开关量输入信号的各种范围 7 速控单元在这里是指进给电机 主轴电机的控制转换器 它对不同的进给电机 主 轴电机采用不同的速控单元 8 位换单元是进给电机的驱动部件 也可以作为带准停功能主轴电机的驱动部件 对

7、于不同的伺服电机及驱动部件是不一样的 在订购CNC装置时 必须说明是何种驱动装 置 2 多CPU结构 多CPU主要根据各部分的工作特征而设计成多个CPU控制 这种方式的优点为 在同样 的性能下降低了CPU的负担 既可以用较低档的CPU完成高性能的控制 从便于分块开发 的生产经营的角度看便于边生产边改进 适于多人开发 可以快出产品 多CAN结构的一般形式如图5 3所示 下面分别介绍如下 1 主CPU板 主要是完成系统的管理及实时插补运算 它是整个数控装置的核心 对于不 同档次的CNC 其插补形式多可以在这里逐步深入进行 2 从CPU I 板 专门用来作显示 键盘的管理 对于不同形式的显示 键盘等

8、 可以 通过单独开发这一部分 形成多种形式的显示 键盘形式如CRT显示 液晶显示 触摸屏 等功能 3 从CPU II 板 其给定是主CPU板的输出 误差计算是通过给定与反馈量之差求得 用于直接控制位控出控单元 4 从CPU III 板 主要是负责开关量的输入输出 实际上它可以是一个PLC 一般却要 256点以上的PLC才采用独立的CPU III 板 多CPU结构中 CPU之间的通讯根据实际需要和量串行 也可以量并行通讯 如主 CPU与CPU III 之间采用并行通讯 而主CPU与从CPU I 之间采用串行通讯 二 软件结构 软件的形式比硬件要多 但比较典型的为前后型和中断型 着两种软件结构都有

9、各自的 特点 下面作一些简单介绍 1 前后台型 前后台型软件分为前台程序和后台程序两部分 前台程序为中断服务程序 主要用于 实时的输入输出 后台程序 亦称背景程序 用于系统管理 加工程序的预处理 显示等 前后台型程序结构框图如图5 3所示 此结构框图只是反映了前后台型软件的基本思路 实际前后台程序编制时因人而异 细节上差别较大 因此我们只能从总体上加以说明 1 后台程序主要完成硬件的初始化 系统运行管理 包括编辑 运算 回 手动 MDI 等运行管理 并不断的设定前台程序 中断参数 如两次中断的时间间隔等 2 前台程序分随机中断和参数定时中断两个程序 参数定时中断为输出程序 原则上按 运行管理所

10、确定的中断参数产生中断 中断服务程序就是前台程序本身 在前台程序中负 责对后台提供的进给 辅助功能等输出量进行输出 随机中断通常为反馈量引起的外部中 断 具体指当进给位移传感器 刀架 机械手到位信息等 在出现状态变化时要引起中断 2 中断型 中断型软件结构把 输出反馈输入 编辑 手动 指令预处理等都作为中断程序 只是它 们的中断优先级要按实际的要求预先确定 主程序只是负责系统硬件的初始化和基本中断 管理 如图5 4所示 采用这种程序 主程序将变得十分简单 而其他的功能程序变成相对独立 模块化比较 明显 有利于分工开发 通常 最高优先级N级作为进给输出 最低优先级第0级作为显 示或与外设通讯较为

11、合理 其余功能也要按其工作性质合理安排在最高级与最低级之间的 级别上 如FANUCTM数控系统把显示作为最低优先级 把伺服系统作为最高优先级 显 示 键盘扫描等中断服务程序是终止开放的 其它中断服务程序根据需要来确定是否开放 从硬件的角度说 对于多CPU系统 后台程序 中断型中的主程序一般由主CPU完成 前台程序 中断型中的中断信号就直接由硬件向CPU 申请中断 这部分的中断服务程序 也全部由主CPU完成 对于从CPU引起的中断 主CPU只要负责必要的参数及状态值传送 给从CPU即可返回 从CPU根据主CPU的简单的状态 参数 结合从CPU系统自身数据进 行独立完成任务 这样大大加快了CNC的

12、总体运行速度 第三节 显示及键盘原理 显示的键盘是CNC人机对话的基本设备 从硬件上来说 它们往往是做在一个面板上的 但软件一般都是独立的 一 显示器 显示器是CNC必不可少的基本设备 显示器的档次高低虽然几乎不影响到CNC的加工精度 及功能 但能对操作者带来一些方便 也衬托了整个数控系统的档次 显示器一般分LED 数码液晶 CRT 图形液晶等四大类型 下面我们一作简单介绍 1 LED显示器 LED亦称发光二极管 它是由多段发光二极管组合成数码 通常LED显示器一排由8位 以上组成 最左边一位用 米 字管 可显示几个字母 其余7位用8段数码管 含小数点 组成 如图5 5所示 对于8位数码管只要

13、显示0 9即可 这一点比较成熟 不再作介绍 对于最左边的 米 字管 它能显示 X Y Z I J K U V W L M P O S T R F A E G C H N等字符 如图5 6所显示 和显示R的状况 目前用于数控页码管使用较多的均为超高亮度共阴数码管 在一般采光亮度的车间内 使用显示效果仍然良好 2 数码液晶显示器 数码液晶显示器的优点是功耗小 用液晶显示器的数控装置电脑部分的功耗比LED数控 装置电脑部分的功耗小1 4左右 有些厂家将驱动与电脑部份分开做了分体式 用液晶作 显示器 电脑部分做成密封形式 粉尘等很难进入内部 可靠性大大增加 做到免维修 数码液晶显示器也是分8 段及一些

14、特定的字符 这些字符在制造液晶屏时已定好了 形式上LED相似 数码液晶显示器的缺点 亮度比LED 低 在明亮的车间内 观察字符有 些吃力 有些在显示加上背景亮度调节效果将得到改善 3 CRT显示器 CRT显示器是前几年用的较多的一种 目前 它逐步被图形液显所取代 CRT显示器是 以显像管为显示器输出 一般均采用电磁偏转技术 与计算机中的显示器相似 数控系统 中大部分采用单色显示器 其原理结构图如图5 7所示 CRT显示器作为一个标准部件 在CNC开发中只需按照各种CRT显示器的传输协议设置 好 就可以正常使用 4 图形液晶显示器 图形液晶显示器是一种点阵式的液晶显示器 它与数码液晶的主要区别是

15、不但能像数 码液晶那样显示字符 还能像CRT那样显示图形 而且可以产生图形显示的效果 有时在 编程或加工过程中以图形形式显示出来更加直观 它也是一个标准部件 CNC开发时只需 将液晶显示器的设置进行初始化 按协议传递相应的信息即可 图形液晶显示器近年来附 加了触摸膜组成触摸屏 并作数控显示器的发展方向 二 键盘 CNC中的键盘有一定的要求 通常对于编辑中所用的键采用纵横扫描式读键 有些键采 用直接式 一个键用一根线 如MON键 启动键 暂停键 急停键 手动进刀方向键及 功能转换键等就是直接式 下面介绍两种典型的键控制线路 1 8279作为键盘管理器件的原理 图5 8为一个普通的8279作键盘管

16、理的原理图 它 可以管理64个键 最多为128个键 图5 8 8279作键盘管理 2 带电互锁的直接式功能转换键 这种键不需要通过软件扫描 而是直接产生按键信号 并且有硬件互锁 如图5 9所示 它已经替代了以前功能转换开关 早期用波段开关 按键可靠性直接影响到CNC的可靠性 从概率的角度可以定性分析 按键的数目越多 可靠性越差 在现代数控中已逐步采用触摸屏键 由于触摸屏键无触点 并且通过软件来 实现 所以无论增加多少键的数目 不会增加更多的硬件 因此数控中触摸屏键大有发展 前途 第四节 给定升降数控规律 数控装置的升降速控制直接影响到数控系统的性能指标 从使用的角度看 速度的升 降过程越小越好 但从实际实现方法上讲过渡时间不能太短 否则会引起不到位 或丢步 反而影响可靠性 根据执行电机的特征 现代数控中一般分两种升降速的方法 一是根 据电机惯量的特征使按一阶系统的过渡过程升降速 即控指数曲线 如图5 10 二是按梯 形升降速曲线升 降 如图5 11 下面分别叙述 交流或直流伺服的升降电控制的方案 对于交流伺服电机速度的变化规律一般可按下 式估算 J Kf T 假设f fx f0 fx